Текст книги "Большая история"

В течение нескольких минут после Большого взрыва протоны и нейтроны стали объединяться в группы, и опять появились новые структуры. Один протон – это ядро атома водорода, а пара протонов (с двумя нейтронами) образуют ядро атома гелия: так Вселенная стала строить первые атомы. Но чтобы протоны соединились, нужно много энергии, потому что их положительные заряды отталкиваются, а температуры сразу после Большого взрыва быстро падали, так что соединить побольше протонов, чтобы получились ядра более крупных атомов, было невозможно. Этим объясняется фундаментальное свойство нашей вселенной: почти три четверти всех атомов в ней – это водород, а бóльшая часть остальных – гелий.

Значительно большую часть вещества составляет темная материя – мы еще не понимаем, что это такое, хотя и знаем о ее существовании, потому что ее гравитационное притяжение задает структуру и распределение галактик. Итак, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная состояла из огромных облаков темной материи, в которых потрескивали островки протонной и электронной плазмы, а через них протекали фотоны света. Сегодня плазма встречается лишь в центрах звезд.

Теперь нам придется прерваться и подождать около 380 000 лет (это почти в два раза больше, чем существует на Земле наш вид). В течение этого времени Вселенная продолжала остывать. Когда температуры упали ниже 10 000 °С, произошел еще один фазовый переход, подобный превращению пара в воду. Чтобы объяснить его, нужно понимать, что температура – это на самом деле мера подвижности атомов. За счет энергии все частицы вещества непрерывно подергиваются, как беспокойные дети, и температура отражает средний уровень этих колебаний. Колебания атомов совершенно реальны. В своей знаменитой статье 1905 года Эйнштейн показал, что они вызывают неупорядоченное кружение частичек пыли в воздухе. Когда температура падает, подвижность частиц уменьшается до тех пор, пока они наконец не смогут соединиться друг с другом. Вселенная остывала, а электромагнитная сила притягивала отрицательно заряженные электроны к положительно заряженным протонам, пока первые не успокоились настолько, чтобы встать на орбиты вокруг вторых. И вуаля! Мы получили первые атомы, базовые составляющие всего вещества, которое нас окружает.

Обычно отдельные атомы электрически нейтральны, поскольку положительные и отрицательные заряды их протонов и электронов уравновешивают друг друга. Так что, когда образовались первые атомы водорода и гелия, бóльшая часть материи во Вселенной резко стала нейтральной, и трепещущая плазма исчезла. Фотоны, носители электромагнитной силы, теперь могли свободно перемещаться в электрически нейтральной взвеси из атомов и темной материи. Сегодня астрономы наблюдают последствия этого фазового перехода, поскольку фотоны, вырвавшиеся из плазмы, породили тонкий фоновый энергетический гул (космическое микроволновое фоновое излучение), который по-прежнему пронизывает всю Вселенную.

Мы преодолели первый порог в истории происхождения мира. У нас есть Вселенная. В ней уже появились некоторые структуры с отчетливыми новыми качествами. В ней есть различные формы энергии и материи, и у каждой – свой характер. В ней есть атомы. Наконец, в ней есть собственные правила.

Какой бы гротескной ни казалась эта история, когда слышишь ее впервые, ее подтверждает огромное количество данных, так что приходится относиться к ней серьезно.

Веским аргументом в пользу того, что Большой взрыв действительно произошел, стало открытие расширяющейся Вселенной. Если сейчас она расширяется, логично предположить, что в какой-то момент в далеком прошлом она была бесконечно мала. О том, что это так, мы знаем благодаря инструментам и методам наблюдения, которых у народа с озера Мунго не было, хотя эти люди, без сомнения, стали превосходными астрономами, изучая космос невооруженным глазом.

Со времен Ньютона большинство ученых предполагали, что Вселенная должна быть бесконечной, поскольку в противном случае законы гравитации собрали бы ее содержимое в единую булькающую массу, подобную маслу в поддоне двигателя. К XIX веку у астрономов появились достаточно точные приборы, чтобы составлять карты расположения звезд и галактик, и по этим астрономическим картам получалась совершенно другая картина Вселенной.

Картирование началось с туманностей, размытых пятен, которые появлялись на всех картах звездного неба (теперь нам известно, что большинство туманностей – это целые галактики, и в каждой из них миллиарды звезд). Каково расстояние до них? Что они такое? Движутся ли они? Постепенно астрономы учились извлекать все больше информации о звездах из света, который те излучают. В том числе определять, на каком расстоянии от нас они находятся, направляются ли к нам или отдаляются от нас.

Один из самых хитроумных способов исследовать движение звезд и туманностей – это измерение скорости, с которой те движутся к нам или от нас, с помощью эффекта Доплера (названного в честь австрийского математика XIX века Кристиана Андреаса Доплера). Энергия движется волнами, а у них, как и у волн на пляже, есть частота. Они достигают пика с регулярностью, которую можно измерить. Но, если вы движетесь, частота меняется. Если войти в океан и плыть от берега, будет казаться, что частота, с которой вы встречаете волну, увеличивается. То же самое происходит со звуковыми волнами. Если объект, например мотоцикл, с ревом движется к вам, кажется, что частота звуковых волн растет, а ваши уши интерпретируют этот рост как повышение тона. Когда мотоцикл проедет мимо, покажется, что звук становится ниже, поскольку теперь волны вытягиваются. Мотоциклист, конечно, относительно мотоцикла остается неподвижным и все время слышит звук одной и той же высоты. Эффект Доплера – это видимое изменение частоты электромагнитного излучения, когда объекты приближаются или удаляются друг от друга.

Этот же принцип действует в отношении звездного света. Если звезда или галактика движется к Земле, это выглядит, как будто частота ее световых волн увеличивается. Наши глаза интерпретируют видимый свет более высокой частоты как синий, и мы говорим, что свет сдвинулся к синему краю электромагнитного спектра. Но если объект удаляется от Земли, для наблюдателя частота его света сдвинется к красному краю спектра. Астрономы называют это красным смещением. И можно определить, с какой скоростью движется звезда или галактика, измерив сдвиг частоты.

В 1814 году молодой немецкий ученый Йозеф фон Фраунгофер создал первый спектроскоп, особую призму, которая раскладывает звездный свет на частоты точно так же, как стеклянная призма раскладывает свет на цвета радуги. Фраунгофер обнаружил, что в спектре солнечного света на некоторых частотах есть тонкие темные линии, как будто космологический штрихкод. Двое других немецких ученых, Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен, в конце концов показали в лаборатории, что определенные химические элементы испускают и поглощают световую энергию определенных частот. По-видимому, темные линии получались из-за того, что свет солнечного ядра в более холодных внешних областях Солнца поглощают атомы различных элементов. В результате на соответствующих частотах снижается энергия, и в спектре излучения остаются темные полосы. Они называются абсорбционными линиями, и разные элементы дают разное их расположение. Так, есть линии, типичные для углерода и железа. Если звездный свет смещен в красную часть спектра, все они смещаются туда же, и можно даже точно измерить насколько. Астрономы используют этот эффект как аналог полицейского радара для контроля скорости.

В начале XX века американский астроном Весто Слайфер с помощью этих методов показал, что неожиданно большое количество астрономических объектов демонстрирует красное смещение, то есть удаляется от Земли, причем довольно быстро. То, как они разбегаются, было очень странно. Истинное значение этого явления стало понятно, лишь когда другой американский астроном Эдвин Хаббл совместил эти данные с измерениями расстояний до таких удаленных объектов.

Оценить расстояние до звезд и туманностей – задача хитрая. В принципе можно использовать придуманный греками параллактический метод, как в геодезии. Можно посмотреть, не смещаются ли одни звезды на небе относительно других за несколько месяцев, по мере движения Земли вокруг Солнца. Если это так, с помощью тригонометрии можно понять, на каком расстоянии они находятся. К сожалению, даже ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, находится так далеко (на расстоянии около четырех световых лет от Земли), что невозможно зафиксировать какое-либо ее движение без сложного оборудования. Астрономы сумели измерить расстояние до ближайших звезд с помощью параллакса лишь в XIX веке. В любом случае объекты, которые исследовал Весто Слайфер, находятся гораздо дальше.

К счастью, в начале XX века Генриетта Ливитт, астроном из Гарвардской обсерватории, придумала, как измерить расстояние до удаленных звезд и туманностей с помощью особого типа звезд – пульсирующих цефеид, яркость которых изменяется по весьма точной закономерности (к цефеидам относится Полярная звезда). Она вывела простую корреляцию между частотой колебаний и светимостью, или яркостью, звезды и поэтому смогла вычислить абсолютную яркость цефеиды. Затем, сравнивая ее с видимой яркостью звезды, наблюдаемой с Земли, она сумела вычислить расстояние до нее, потому что количество света уменьшается пропорционально квадрату расстояния, которое тот проходит. Благодаря этому замечательному методу появились астрономические стандартные свечи, которые потребовались Эдвину Хабблу, чтобы сделать два важнейших открытия о Вселенной.

В начале XX века большинство астрономов считали, что вся Вселенная содержится в нашей галактике, Млечном Пути. В 1923 году Хаббл с помощью одного из мощнейших в мире телескопов обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе показал, что цефеиды туманности Андромеды, как она тогда называлась, расположены слишком далеко, чтобы находиться в нашей галактике. Это доказывало то, что подозревали некоторые астрономы: Вселенная значительно больше Млечного Пути и состоит из множества галактик помимо нашей.

Хаббл сделал еще более удивительное открытие, когда стал с помощью цефеид измерять расстояния до множества удаленных объектов. В 1929 году он показал, что почти все галактики, по-видимому, удаляются от нас, причем у самых удаленных объектов наибольшее красное смещение. Иными словами, чем дальше находится объект, тем быстрее он удаляется. А это должно было означать, что вся Вселенная расширяется. Бельгийский астроном Жорж Леметр уже подозревал это на чисто теоретических основаниях. Он также указывал, что если сейчас Вселенная расширяется, то в какой-то момент в прошлом она должна была представлять собой крошечное пространство, которое он называл первозданным атомом.

Большинство астрономов идея расширяющейся Вселенной шокировала, и они предполагали, что в расчеты Хаббла вкралась ошибка. Сам Хаббл совершенно не был ни в чем уверен, а Эйнштейн был настолько убежден, что Вселенная стабильна, что производил с уравнениями общей теории относительности определенные махинации, чтобы те предсказывали стабильную Вселенную, а именно ввел в них, как он это назвал, космологическую постоянную.

Скепсис астрономов отчасти вызвало то, что с оценками Хаббла действительно были некоторые проблемы. По его расчетам, Вселенная начала расширяться всего 2 млрд лет назад, но астрономы уже знали, что Земля и ее Солнечная система гораздо старше. В том числе поэтому в течение нескольких десятилетий большинство астрономов считали идею о расширении Вселенной любопытной, но, вероятнее всего, ложной. Многие предпочитали альтернативную концепцию стабильной Вселенной, которую в 1948 году предложили Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл. Ее сторонники соглашались с тем, что галактики, по-видимому, удаляются друг от друга, но утверждали, что одновременно с этим образуется новая материя, поэтому в целом Вселенная остается примерно одинаковой плотности и слабо изменяется.

Однако в конце концов появились данные, которые склонили чашу весов в пользу теории о расширяющейся Вселенной. В 40-е годы XX века в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе (той же, где работал Хаббл) Вальтер Бааде показал, что существует два типа пульсирующих звезд и что они дают разные оценки расстояний. Бааде уточнил расчеты, и они показали, что Большой взрыв мог произойти более 10 млрд лет назад (самые точные оценки на сегодняшний день дают целых 13,82 млрд лет). Хронологическая проблема была решена. В настоящий момент нам неизвестны астрономические объекты, которые были бы старше 13,82 млрд лет, и это сильный аргумент в пользу космологии Большого взрыва. В конце концов, если бы Вселенная была неизменной и вечной, в ней бы точно должно было быть множество более древних объектов.

Окончательным доказательством послужили данные, которые появились в середине 60-х годов в связи с открытием космического микроволнового фонового (или реликтового) излучения. Оно испустилось, когда образовались первые атомы, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Реликтовое излучение стало решающим доказательством расширения Вселенной. Почему?

К 40-м годам XX века некоторые астрономы и физики оказались достаточно впечатлены данными Хаббла, чтобы попытаться понять, что могло бы случиться, если бы Большой взрыв действительно произошел. Какой была Вселенная вначале, если все было втиснуто в первозданный атом? Если Хаббл и Леметр правы, сперва она должна была оказаться чрезвычайно плотной и горячей, а затем начать быстро расширяться и остывать. Как бы вели себя в этих экстремальных условиях материя и энергия? Во время Второй мировой войны Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы стимулировал исследования в области физики высоких температур. В конце 40-х годов физик русского происхождения Георгий Гамов, основываясь на разработках Манхэттенского проекта, выяснил, что, вероятнее всего, происходило во Вселенной сразу после Большого взрыва. Вместе со своим коллегой Ральфом Альфером он предсказал, что Вселенная в конце концов должна была охладиться достаточно, чтобы образовались атомы, а это должно было сопровождаться большим выбросом энергии, когда фотоны вырвались из заряженной плазмы доатомной эры и стали свободно двигаться через электрически нейтральную Вселенную[31]31
  Известно, что, напечатав эти данные, ученые для смеха позвали в соавторы физика Ханса Бете – в работе он не участвовал, но зато получилась статья авторства «Альфер, Бете, Гамов».


[Закрыть]. Кроме того, они утверждали, что должен быть способ обнаружить эту вспышку энергии, хотя ее частота должна была упасть почти до нуля по мере того, как она распределялась по расширяющейся Вселенной. Если ученые хорошо поищут, то при температурах, близких к абсолютному нулю, они найдут излучение, которое шло бы со всех сторон. Многим эта идея показалась безумной, так что низкотемпературное излучение, которое пронизывало бы всю Вселенную, искать никто не стал.

Гамовскую вспышку излучения обнаружили случайно в 1964 году. В Лабораториях Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси, два радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, соорудили для связи с искусственными спутниками радиоантенну высокой точности. Чтобы избавиться от помех, они охладили приемник примерно до 3,5 °С выше абсолютного нуля, но оставался загадочный шум, который создавала низкотемпературная энергия. Выглядело это так, будто он поступал со всех сторон, так что они знали, что причина его не в какой-нибудь мощной звездной вспышке. Ученые заподозрили неполадку в приемнике, согнали пару голубей, устроивших в антенне гнездо (в ней было углубление), почистили ее от помета, но ничего не изменилось (особенно печально, что голуби все время пытались вернуться и в конце концов их пришлось пристрелить). Неподалеку, в Принстоне, группа астрономов под руководством Роберта Дике как раз занялась поисками фонового излучения Гамова, и тут они услышали о находке Пензиаса и Уилсона. Ученые сразу поняли, что их обошли. Группы решили вместе работать над статьями об этом открытии. Исследователи сообщили, что, вероятно, нашли энергию, выброшенную сразу после Большого взрыва и предсказанную Гамовым.

Открытие космического микроволнового фонового излучения убедило большинство астрономов в том, что Большой взрыв действительно произошел, потому что никакая другая теория это вездесущее излучение объяснить не могла. Сделать такое странное, но в конечном счете успешное предсказание – один из лучших способов убедить ученых, что ваша теория разумна. Теперь это выглядело так, как будто Вселенная на самом деле расширяется и на самом деле возникла в результате Большого взрыва.

Сегодня свидетельств того, что наша Вселенная началась с Большого взрыва, огромное количество. Предстоит проработать еще массу подробностей, но на данный момент основная идея надежно утвердилась в качестве первой главы современной истории о происхождении мира. Вот и петелька, за которую можно потянуть. А поскольку квантовая физика допускает возникновение вещей из вакуума, по-видимому, вся Вселенная действительно возникла из некоего ничто, полного возможностей[32]32
  Подробнее об этом см.: Lawrence Krauss. A Universe from Nothing.


[Закрыть].

2
Звезды и галактики: второй и третий пороги

Человек состоит из звездного вещества.

Харлоу Шепли, «Взгляд с далекой звезды» (View from a Distant Star)

Большой взрыв дал нам Вселенную, но первые несколько сотен миллионов лет она была предельно простой. Впрочем, в глубине ее вызревали интересные новые возможности, и наконец в темноте стали зажигаться звезды и галактики. С ними пришли абсолютно новые действующие лица, образовались новые свойства и новые формы сложности, и Вселенная прошла второй порог усложнения. Чтобы объяснить, как появились эти грандиозные новые объекты, придется вернуться к началу.

В течение первых секунд и минут после Большого взрыва Вселенная с точки зрения термодинамики находилась в состоянии свободного падения. Несколько ослепительных мгновений энергии было достаточно, чтобы возникали и исчезали новые экзотические формы энергии и материи. Но с падением температур они застыли, зафиксировались в виде нескольких простых структур. В очаге Большого взрыва силы и частицы стабилизировались, как керамика при обжиге. Его мощные энергии в сочетании с несколькими простыми правилами действия породили такие структуры, как протоны и электроны, а те оказались удивительно устойчивы, поскольку в остывающей Вселенной температуры, которые вызвали их появление, встречаются редко.

Затем резкое снижение температур замедлилось, как будто Вселенная, обрушившись с термодинамической горы, оказалась в долине. Переходы стали более гладкими, температуры перестали падать так резко, снизилась скорость изменений: отвесная скала, с которой можно сравнить термодинамическое состояние Вселенной в первые мгновения, сменилась более пологим, волнообразным пейзажем, где температуры могут не только уменьшаться, но и расти. Новым структурам стало сложнее закрепиться, ведь даже умеренное потепление разрушило бы их. Так, атомы в первых звездах распадались, когда температура поднималась выше 10 000 °С.

Чтобы стабилизироваться в этих менее предсказуемых условиях, сложным структурам нужен был дополнительный крепеж. Его роль сыграли контролируемые, упорядоченные потоки энергии. Звезду удерживают от распада энергетические потоки, которые порождает ее ядро. Живые организмы, мы с вами в том числе, сохраняют форму с помощью тонких, точно направленных потоков энергии под управлением сложных процессов метаболизма в клетках. Чтобы создавать и сохранять во Вселенной сложные структуры, когда Большой взрыв остался позади, требуется совершать работу. В результате возникает фундаментальная зависимость между формой и сложностью явлений с одной стороны и направленными, или структурированными, потоками энергии – с другой.

Структурированные потоки энергии – скорее интуитивное понятие, чем выражение из научного жаргона. Но смысл его вот в чем: в термодинамике различают энергию совершенно неупорядоченного движения и движения направленного, структурированного, согласованного, которое способно совершать работу благодаря своим качествам. Энергию структурированного движения называют свободной энергией, а неструктурированного – тепловой. Это деление не абсолютно. Речь идет скорее о степени связности или хаотичности. Тем не менее разница между свободной и тепловой энергией в нашей истории имеет основополагающее значение.

Согласно первому закону термодинамики, общее количество энергии во Вселенной никогда не меняется. Энергия сохраняется. По-видимому, Вселенная возникла сразу с определенным потенциалом возникновения событий. Таким образом, на самом деле первый закон говорит об исходном океане возможностей. Второй закон термодинамики гласит, что то, что возникает из этого океана, может быть более или менее структурировано, как рябь на воде. Однако следует ожидать, что чаще всего структуры будет мало и со временем ее будет становиться все меньше. Дело в том, что наиболее вероятны слабо или вообще неструктурированные формы организации материи и энергии, и, если вы вдруг все же видите структуру, ждите, что скоро она распадется.

Хороший пример – водопад. Он весьма структурирован, но его структура в конце концов рассеется. Молекулы воды наверху водопада движутся не беспорядочно, как молекулы воздуха в сосуде, а в одном направлении, будто стая крадущихся кошек, держась как можно ближе друг к другу. Это происходит потому, что, в отличие от молекул газа, которые перемещаются по отдельности, молекулы жидкости связаны друг с другом электромагнитной силой. Поэтому гравитация может двигать их тесным строем в одну сторону, как солдат на марше. Когда вода переливается через край, потенциальная энергия превращается в кинетическую, энергию движения. Это скоординированное движение в одном направлении. Оно структурировано, так что можно сказать, что им управляет свободная энергия. А она, в отличие от неупорядоченной тепловой энергии молекул газа, может производить работу, потому что у нее есть форма и структура и она может двигать предметы в едином направлении, а не толкать их во все стороны сразу[33]33
  «С молекулярной точки зрения, поднять вес означает передвинуть все его атомы в одном и том же направлении… Работа – это передача энергии, для которой используется согласованное движение окружающих атомов». См.: Peter Atkins. Four Laws That Drive the Universe. Oxford: Oxford University Press, 2007. P. 32.


[Закрыть]. При желании можно направить поток свободной энергии в турбину и генерировать электричество. Свободная энергия – вот что вершит дела. В нашей истории происхождения мира она действует, как резвый неугомонный заяц из рекламы батареек Energizer.

Но, в отличие от энергии в целом, свободная энергия не сохраняется. Она нестабильна, как распрямляющаяся пружина. Совершая работу, она теряет и структуру, и способность совершать работу дальше. Когда вода разбивается о валуны внизу водопада, возникает рассеянная, несвязанная тепловая энергия. Все молекулы колеблются более-менее независимо. Энергия никуда не делась, она сохраняется (это первый закон). Но теперь молекулы толкаются во все стороны, поэтому уже не могут привести турбину в движение. Свободная энергия перешла в тепловую. Второй закон термодинамики гласит, что когда-нибудь, в далеком будущем, в тепловую превратится вся свободная энергия.

Направленная сразу во все стороны, тепловая энергия, как пьяный регулировщик, создает хаос. Свободная энергия, подобно трезвому регулировщику, действует по определенным направлениям и создает порядок. К счастью для нас, благодаря базовым правилам в ранней Вселенной было какое-то количество свободной энергии. Они заставили ее двигаться по определенным, неслучайным путям и обеспечили хотя бы минимальную структуру.